Cuptor Electric cu Rezistoare Pentru Sterilizare de Material Si Instrumentar Medical

INTRODUCERE

Cuptoarele electrice sunt sediul fenomenelor fizice de transformare a energiei electrice în energie termica.

Caldura obtinuta cu ajutorul energiei electrice este utilizata pe scara larga în industrie si pentru uzul casnic, existând putine produse pentru a caror realizare sa nu fie necesara caldura, fie ca ne referim la obtinerea materiilor prime, fie la prelucrarea mecanica sau structurala, sau la dirijarea reactiilor chimice.

Principalele ramuri industriale care folosesc energia electrotermica sunt: industria metalurgica (topirea metalelor feroase sau neferoase, rafinarea metalelor, încalzirea semifabricatelor, turnarea continua), industria chimica (reactii chimice, încalzirea coloanelor si recipientilor, producerea si prelucrarea maselor plastice), industria constructoare de masini (forjare, matritare, calire, lipire, sudare, uscare), industria extractiva (reducerea minereurilor), industria materialelor de constructii (topirea si tratamentul sticlei), industria lemnului (uscarea lemnului si a uleiurilor), industria celulozei si hârtiei (uscare), industria alimentara (uscarea, prepararea si sterilizarea produselor alimentare), industria electronica (producerea semiconductoarelor).

Pentru uzul casnic, aparatele electrocasnice utilizeaza energia electrotermica pentru încalzirea locuintelor, a apei si alimentelor.

În domeniul medical energia electrotermica este folosita în special pentru sterilizarea materialului si instrumentarului specific. Exista si alte aplicatii dar de puteri foarte mici în domeniul electrocauterizarilor sau în domeniul fizioterapiei folosind radiatiile termice (de exemplu lampile Solux cu emisie de radiatii infrarosii).

Daca luam în considerare randamentul întregului proces de transformare a energiei primare (carbune, gaz metan, energia potentiala a apei) în energie electrica ( > = 40 % pentru centrala termoelectrica si = 91 % pentru transport si transformari intermediare) si apoi al acesteia în energie termica utila ( = 45…95 % ), rezulta un randament total de circa tot = (17…35) % fata de tot = (20…60) % în cazul cuptoarelor cu flacara. Cu toate acestea însa, puternica dezvoltare a electrotermiei a fost posibila datorita urmatoarelor elemente:

– cerintele tehnologice impuse de dezvoltarea actuala a tehnicii nu pot fi îndeplinite decât cu ajutorul energiei electrice, care permite obtinerea de temperaturi foarte înalte (pâna la 20.000 K în cuptoarele cu plasma, densitati ridicate de putere (0,8…1 kW/cm3 la cuptoarele cu arc, 100 kW/cm3 la cuptoarele cu fascicol de electroni), dezvoltarea caldurii direct în încarcatura;

– instalatiile electrotermice nu sunt poluante.

O comparatie a cuptoarelor electrotermice cu cuptoarele cu flacara nu trebuie sa la în consideratie numai randamentul sau costul energiei, care este de 3…25 ori mai mare în cazul energiei electrice, ci trebuie sa tina cont si de avantajele multiple ale utilizarii energiei electrice, enumerate mai jos:

– disponibilitatea în orice loc si timp, posibila datorita retelelor de distributie a energiei electrice:

– parametri constanti de furnizare a energiei electrice (tensiune, frecventa, continuitate în alimentare);

– utilizari rationale si pentru iluminat, actionari electrice, procese chimice, etc.;

– puterea disponibila are valori nelimitate;

– masurarea usoara a energiei consumate permitând si încadrarea în tarife reduse.

Avantajele tehnico-economice ale cuptoarelor electrice fata
de cele cu flacara

– posibilitati multiple de efectuare a aceluiasi proces tehnologic;

– instalare si constructie simple, încadrare în procesul tehnologic;

– economie de spatiu, masurând gradul de utilizare al suprafetelor de productie;

– usurinta reglajului temperaturii în timp si spatiu, în conformitate cu cerintele procesului tehnologic;

– posibilitatea de ermetizare a spatiului de lucru (atmosfere controlate, vid);

– exploatare si automatizare simple;

– randamente marite, ceea ce conduce la indicatori valorici (lei/produs, lei/putere) egali, daca nu chiar mai redusi;

– functionarea în raport cu cerintele aplatizarii curbei de sarcina;

– reducerea cheltuielilor de exploatare prin reducerea personalului necesar.

Conditii de lucru îmbunatatite prin:

– lipsa prafului, cenusii, zgurii;

– reducerea încalzirii mediului ambiant prin pierderi termice mai reduse;

– eliminarea zgomotului (cu exceptia cuptoarelor cu arc, plasma);

– posibilitati reduse de incendii.

Avantaje care rezulta din proprietatile materialelor si calitatile produselor, permit simplificarea proceselor tehnologice si utilizarea rationala a materialelor:

– la folosirea metalelor se pot utiliza deseuri oricât de mici, procentul de metal ars este redus, calitatea si temperatura sarjelor;

– la folosirea metalelor se pot utiliza deseuri oricât de mici, procentul de metal ars este redus, calitatea si temperatura sarjelor sunt permanent controlabile;

– la încalzirea semifabricatelor, datorita vitezei mari de încalzire, pierderile de metal prin tunder sau decarburare sunt reduse;

– calirea superficiala este posibila si la oteluri carbon normale, grosimea si calitatea stratului calit fiind perfect controlabile;

– topirea în vid si sub strat de flux permit marirea rezistentei mecanice a metalelor, prin eliminarea impuritatilor;

– calitatea suprafetelor exterioare nu mai necesita prelucrari ulterioare ale pieselor turnate;

– încalzirea dielectrica nu deterioreaza suprafetele încarcaturii si reduce o serie de operatii suplimentare.

INSTALATIA ELECTROTERMICA

Din punct de vedere structural, instalatia electrotermica se compune din sursa de alimentare, reteaua scurta si cuptorul electric.

Figura 1

Alimentarea se realizeaza din reteaua de distributie de înalta tensiune (Ur > = 1 kV) sau de joasa tensiune (Ur < = 1 kV).

Echipamentul electric contine si aparatajul de conectare, protectie, masurare si automatizare.

Sursele de alimentare au rolul de a modifica tensiunea, frecventa, numarul de faze sau puterea transmisa cuptorului electric si pot prezenta urmatoarele variante constructive:

– surse de curent continuu (redresoare sau generatoare rotative);

– cicloconvertoare de joasa frecventa (frecventa mai mica de 50 Hz);

– surse de frecventa industriala (transformatoare, autotransformatoare, variatoare de curent alternativ cu tiristoare);

– multiplicatoare feromagnetice de frecventa;

– convertoare de medie frecventa cu tiristoare;

– generatoare electronice de medie frecventa;

– condensatoare derivatie cu rol de compensare a consumului de energie reactiva si de reducere a regimului deformant.

Reteaua scurta este un sistem de condensatoare (bare, cabluri) care fac legatura între sursa si cuptor. Solutia constructiva a retelei scurte are drept scop reducerea la maximum a pierderilor proprii de energie electrica.

Cuptorul electric reprezinta sistemul în care are loc transformarea energiei electrice în energie termica. Acesta se compune din:

– elemente încalzitoare care produc energia termica (rezistoare, arc electric, bobine, condensatoare):

– incinta de încalzire de forma paralelipipedica (camera sau cuva), tronconica (cuva) sau cilindrica (creuzet); peretii incintei se construiesc din mai multe straturi de material refractar, termoizolant si o manta metalica în exterior, pentru consolidarea constructiei;

– încarcatura care poate fi orice substanta solida sau lichida, metal, dielectric sau semiconductor;

– instalatii auxiliare de încarcare, descarcare si transport a încarcaturii, de producere a atmosferei controlate sau a vidului, de racire cu apa sau aer.

CAPITOLUL 1

CLASIFICAREA CUPTOARELOR ELECTRICE

Cuptoarele electrice se clasifica în functie de principiul de transformare a energiei electrice în energie termica sau dupa modul de transmitere a caldurii (conductie, convectie, radiatie).

1. CUPTOARE CU REZISTOARE

Functionarea lor se bazeaza pe încalzirea conductoarelor parcurse de curent electric – efectul Joule-Lenz.

1.1. CUPTORUL CU REZISTOARE CU
ÎNCALZIRE DIRECTA (fig. 2a)

Rezistorul este însusi materialul ce urmeaza a fi încalzit. Transmiterea caldurii în masa încarcaturii solide (metal, carbune) sau fluide (apa, sticla topita) se realizeaza prin conductie termica.

1.2. CUPTORUL CU REZISTOARE CU
ÎNCALZIRE INDIRECTA (fig. 2b)

Caldura degajata de rezistoarele parcurse de curent electric se transmite încarcaturii prin convectie si radiatie. Un caz particular al cuptoarelor cu încalzire indirecta îl constituie cuptorul cu radiatii infrarosii. Elementele încalzitoare ale acestuia sînt surse de radiatii infrarosii, permitând încalzirea materialelor care prezinta un grad ridicat de absorbtie al acestor radiatii.

2. CUPTOARELE CU ARC ELECTRIC (fig.3)

Transformarea energiei electrice în caldura are loc în arcul electric. Fluxul termic produs se transmite încarcaturii prin radiatie si conductie.

2.1 CUPTORUL CU ARC ELECTRIC CU
ÎNCALZIRE INDIRECTA (fig.3a)

Arcul electric se stabileste între doi electrozi fixati deasupra încarcaturii. Acest tip de cuptor nu se mai construieste în prezent.

2.2 CUPTORUL ELECTRIC CU
ÎNCALZIRE DIRECTA (fig.3b)

Arcul electric se stabileste între electrozi si încarcatura. Acest tip de cuptor este utilizat pentru elaborarea otelurilor si fontelor.

2.3 CUPTORUL CU ARC SI REZISTENTA (fig. 3c)

Este utilizat în special în procese de reducere a minereurilor. Energia termica necesara se obtine atât în arc, cît si prin trecerea curentului electric direct în încarcatura.

2.4 CUPTORUL DE TOPIRE SUB STRAT DE FLUX (fig.3d)

Acest cuptor se deosebeste de cel cu arc, prin aceea ca încalzirea electrodului. care reprezinta încarcatura, este produsa de un strat de flux oxidant încalzit.

Figura 2. Figura 3.

3. CUPTOARE CU PLASMA (fig.4)

Reprezinta o varianta a cuptorului cu arc electric, în care caldura arcului electric se utilizeaza pentru ionizarea completa (în plasmatron) a unui gaz-plasma, a carui temperatura o depaseste pe cea a arcului.

Figura 4.

4. CUPTOARE CU INDUCTIE (fig.5)

Aceste cuptoare se bazeaza pe efectul Joule-Lenz al curentilor turbionari indusi în încarcatura de un câmp magnetic alternativ H, produs de o bobina. Transmiterea caldurii în încarcatura are loc prin conductie. Variantele constructive ale cuptoarelor cu inductie sunt:

– cuptorul pentru topire cu creuzet (fig.5b) sau cu canal (fig.5c);

– cuptorul pentru încalzire în profunzime (fig.5d);

– cuptorul pentru încalzire superficiala (fig.5e);

– instalatii pentru aplicatii speciale: agitatorul inductiv (fig.5f, transportorul electromagnetic al metalelor topite (fig.5g), topirea fara creuzet (fig.5h), lipirea si sudare.

În figura 5a este prezentata schema de principiu a cuptoarelor cu inductie.

5. CUPTOARE CAPACITIVE SI CU MICROUNDE (fig.6.a)

Încalzirea încarcaturii dielectrice introduse între placile unui condensator se bazeaza pe efectul termic al pierderilor prin conjunctie electrica si histerezis electric, produse de un câmp electric E de înalta frecventa.

6. CUPTOARE CU FASCICUL DE ELECTRONI (fig. 6.b)

Încalzirea este bazata pe transformarea în caldura a energiei cinetice a unui flux de electroni ce bombardeaza suprafata încarcaturii.

Figura 5.

Figura 6.

CLASIFICAREA CUPTOARELOR ELECTRICE
CU REZISTOARE

Cuptoarele cu rezistoare se împart în doua categorii: cu încalzire directa si cu încalzire indirecta. În cuptoarele cu încalzire directa, curentul electric trece direct prin încarcatura, sursele de caldura aflându-se chiar în interiorul acesteia. Prin acest procedeu se obtin viteze mari de încalzire, independente de transmiterea caldurii prin conductie în încarcatura, productivitati si randamente ridicate. Metoda este aplicata în general la încalzirea încarcaturilor solide (de mare lungime si sectiune aproximativ constanta) si fluide conductoare din punct de vedere electric. Majoritatea cuptoarelor cu rezistoare o reprezinta însa cuptoarele cu încalzire indirecta. Caldura dezvoltata dACITIVE SI CU MICROUNDE (fig.6.a)

Încalzirea încarcaturii dielectrice introduse între placile unui condensator se bazeaza pe efectul termic al pierderilor prin conjunctie electrica si histerezis electric, produse de un câmp electric E de înalta frecventa.

6. CUPTOARE CU FASCICUL DE ELECTRONI (fig. 6.b)

Încalzirea este bazata pe transformarea în caldura a energiei cinetice a unui flux de electroni ce bombardeaza suprafata încarcaturii.

Figura 5.

Figura 6.

CLASIFICAREA CUPTOARELOR ELECTRICE
CU REZISTOARE

Cuptoarele cu rezistoare se împart în doua categorii: cu încalzire directa si cu încalzire indirecta. În cuptoarele cu încalzire directa, curentul electric trece direct prin încarcatura, sursele de caldura aflându-se chiar în interiorul acesteia. Prin acest procedeu se obtin viteze mari de încalzire, independente de transmiterea caldurii prin conductie în încarcatura, productivitati si randamente ridicate. Metoda este aplicata în general la încalzirea încarcaturilor solide (de mare lungime si sectiune aproximativ constanta) si fluide conductoare din punct de vedere electric. Majoritatea cuptoarelor cu rezistoare o reprezinta însa cuptoarele cu încalzire indirecta. Caldura dezvoltata de elementele încalzitoare – rezistoarele, se transmite prin convectie si radiatie termica încarcaturii, în interiorul acesteia propagându-se prin conductie.

A. CUPTOARE CU REZISTOARE CU ÎNCALZIRE DIRECTA

Aceste cuptoare pot avea încarcatura solida, lichida sau metalica în electroliti topiti. La rândul lor, cuptoarele cu încarcatura solida se clasifica în:

– cuptoare pentru încalzirea semifabricatelor metalice sub forma de tevi, bare, sârme, benzi sau table; se utilizeaza în special curentul alternativ;

– cuptoare pentru grafitare si pentru producerea carborundului, sunt alimentate în curent alternativ sau continuu.

Cuptoarele cu încarcatura lichida sunt destinate încalzirii apei, topirii sticlei cu ajutorul curentului electric alternativ si extragerii sau rafinarii aluminiului utilizând curentul continuu.

Cuptoarele cu bai de saruri utilizeaza curentul alternativ în scopul încalzirii încarcaturilor metalice în electroliti topiti. Totusi, la trecerea curentului electric prin lichide sau electroliti. concomitent cu încalzirea se produc si fenomene chimice.

A.1 ÎNCALZIREA DIRECTA A SEMIFABRICATELOR METALICE

Procedeul este utilizat la încalzirea semifabricatelor lungi, în special din otel, ce urmeaza ulterior a fi prelucrate mecanic. Încalzirea (directa are o serie de avantaje fata de alte forme de încalzire electrica sau neelectrica, si anume:

– timp redus de încalzire;

– randamentul ridicat;

– consumul specific de energie redus;

– încadrare avantajoasa în procesul tehnologic;

– cantitatea mica de tunder si lipsa decarburarii.

Încalzirea directa poate fi comparata cu încalzirea prin inductie, fata de care prezinta avantajele timpului de încalzire si a consumului specific de energie mai reduse.

Din punctul de vedere al deplasarii încarcaturii, cuptoarele cu încalzire directa pot fi:

– cu actionare intermitenta, în care încarcatura este fixa în timpul încalzirii;

– cu actionare continua, în care încarcatura se deplaseaza în timpul încalzirii.

A.1.1 Cuptoare cu actionare intermitenta

În aceste cuptoare se încalzesc semifabricate din otel de tip bare sau tevi, având lungimea de (1,5-12) metri, sectiunea dreptunghiulara sau circulara, cu diametrul echivalent de (10-140) mm (schema electrica – fig.7). Fixarea si alimentarea cu curent a semifabricatelor se face prin intermediul unor contacte sau bacuri din cupru sau bronz racite cu apa, actionate hidraulic sau pneumatic, dispuse lateral sau frontal. Numarul lor poate fi de 1…12, în functie de valoarea curentului I ce trece prin semifabricat, tinând cont de faptul ca un contact poate suporta un curent de (4-10) kA (vezi fig.8).

Încalzirea semifabricatelor la temperatura t.î în timpul Tî necesita o putere P variabila în timp. Temperatura t.top se atinge în regim stationar, în care pierderile termice p.t sunt egale cu P (fig.9). Reglarea temperaturii de încalzire este posibila prin variatia tensiunii de alimentare U2.

Reteaua scurta care face legatura între contacte si transformatorul de alimentare se realizeaza din tevi de cupru racite cu apa. Transformatorul monofazat de alimentare are rolul de reducere a tensiunii retelei de distributie la valorile necesare U2 = (5 – 25) V si are puterea în limitele (0,1 – 10) MVA, având în plus si posibilitate de variatie a tensiunii prin prize în primar.

Figura 7. Figura 8.

Figura 9. Figura 10.

În scopul compensarii puterii reactive variabile a cuptorului (cos = 0,35-0,95) se prevede o abatere de condensatoare.

Transformarea sarcinii monofazate reprezentate de cuptor, într-o sarcina echilibrata impune introducerea unei instalatii de simetrizare compusa dintr-un condensator si o bobina. Simetrizarea este absolut necesara daca:

S.total 1/50 S.sc

în care S.total este puterea aparenta totala a instalatiei, iar S.sc – puterea de scurtcircuit a sistemului energetic în punctul de racordare a instalatiei.

Deoarece parametrii semifabricatului variaza în timpul încalzirii, se impune mentinerea constanta a curentului electric, operatie ce poate fi realizata printr-o alimentare cu un variator de tensiune alternativa cu tiristoare antiparalel (vezi fig.l0).

A.l.2 Cuptoare cu actionare continua

Procedeul de încalzire continua este utilizat la încalzirea sârmelor, benzilor sau tablelor din otel sau cupru. Deplasarea cu viteza v si alimentarea cu curentul I a semifabricatelor se realizeaza cu contacte tip rola (fig. 11) din cupru sau bronz, blocuri de grafit, bai de plumb sau saruri topite. În functie de valoarea curentului, exista unul (fig. l3) sau mai multe sisteme de role (fig. l4). Alimentarea rolelor se realizeaza cu unul (fig. 11) sau mai multe transformatoare monofazate (fig. l4), prevazute cu prize de reglaj a tensiunii.

Figura 11. Figura 12.

Figura 13. Figura 14.

Încalzirea semifabricatului la temperatura t.î (fig. 12) are loc pe distanta l.î dintre sistemele de role si prezinta avantajul unei puteri P constante. Reglarea temperaturii de încalzire este posibila prin modificarea tensiunii U2, vitezei v de deplasare a semifabricatului (de regula mai mic sau egal cu 30m/s) sau a distantei l.î.

Reteaua scurta, transformatorul, condensatoarele si instalatia de simetrizare sunt identice cu cele de la cuptorul cu actionare intermitenta.

A.2 CUPTOARE PENTRU GRAFITARE SI
PRODUCEREA CARBORUNDULUI

Aceste cuptoare sînt destinate producerii industriale a grafitului (electrozi, perii) si carborundului (SiC), prin încalzire directa dupa metoda Acheson.

În cuptorul pentru grafitare materialul ce urmeaza a fi grafitat (electrozi si perii din carbune tehnic) se introduce într-un amestec de grafit si cocs, într-o cuva din samota, având peretii laterali sub forma de panouri mobile, pentru a permite încarcarea si descarcarea.

Cuptorul poate fi alimentat în:

– curent alternativ, printr-un transformator monofazat având puterea S mai mica sau egala cu valoarea de 10 MVA, tensiunea reglabila în limitele 50…150 V; factorul de putere al cuptorului are valoarea cos aproximativ 0,5;

– curent continuu, utilizând redresoare cu diode de siliciu.

Cuptorul pentru producerea carborundului prezinta asemanari constructive cu cel pentru grafitare. Caldura dezvoltata prin încalzirea directa a miezului conductor se transmite prin conductie si radiatie amestecului de cocs cu nisip silicios.

A.3. ÎNCALZIREA DIRECTA A APEI

Pentru încalzirea pe cale electrica a apei se utilizeaza în mod curent rezistoarele tubulare pentru încalzire indirecta. S-au construit însa si instalatii de încalzire directa a apei, utilizând efectul Joule-Lenz al curentului alternativ ce trece prin apa preparata în prealabil prin dizolvarea unor saruri – sulfit de sodiu (Na2SO3). Rezistenta apei depinde de natura si cantitatea sarurilor dizolvate în ea, distanta dintre electrozi, precum si de temperatura apei.

Din punct de vedere constructiv se deosebesc boilere pentru producerea apei calde si cazane pentru abur tehnologic.

ßoilerele se construiesc pentru puteri de (0,3 – 2) MW, tensiuni de 220 sau 380 V, conductivitatea apei fiind între limitele (2 – 5)·10-2 l/·m. Electrozii din fonta speciala sau carbon sunt de doua tipuri: electrozi de nul, în numar de trei, fixati mecanic pe un ax central care se poate roti si trei electrozi de faza independenti si ficsi. Prin deplasarea electrozilor de nul, puterea poate fi reglata în limitele (20 – 100) la suta din puterea nominala. Fazele sunt ecranate între ele prin placi izolante. Randamentul boilerului este de 99 la suta.

Protectia personalului împotriva electrocutarii în instalatiile de joasa tensiune cu neutrul legat la pamânt este asigurata prin legarea la pamânt a boilerului.

Cazanele pot produce abur tehnologic la presiuni pâna la 40 atmosfere si se construiesc pentru puteri pâna la 20 MW, tensiuni de 10 si 30 KV, conductivitatea apei fiind de circa 0,4·10-2 l/·m.

Reglajul puterii de încalzire se realizeaza în limitele (20 – 100) la suta din puterea nominala, prin deplasarea ecranului izolant din telefon.

Randamentul cazanului este de 99 la suta.

Protectia împotriva electrocutarii în instalatiile de înalta tensiune izolate fata de pamânt se realizeaza prin:

– prevederea unor tuburi izolante la tevile care ies din cazane, la instalatia de deplasare a ecranului, etc.;

– utilizarea izolatoarelor ceramice între cazan si mantaua exterioara;

– legarea la pamânt a mantalei exterioare.

Calculul instalatiilor de încalzire a apei este similar cu cel al reostatelor cu apa.

A.4 CUPTOARE PENTRU TOPIREA STICLEI

Încalzirea electrica a sticlei se bazeaza pe faptul ca la temperaturi ce depasesc 200°C aceasta devine conductoare, având rezistivitatea = (200 – 600) ·m în functie de compozitie si temperatura.

Alimentarea cuptorului este asigurata de un transformator trifazat, având puterea în limitele (50 – 1.500) kVA si un numar de 12 trepte de reglare a tensiunii, independent de fiecare faza.

Consumul specific de energie electrica este de (2,3 – 2,6) kWh/kg, fiind de circa patru ori mai redus decât la topirea cu gaz metan.

A.5. CUPTOARE PENTRU EXTRAGEREA SI RAFINAREA ALUMINIULUI

Extragerea si rafinarea aluminiului este posibila prin fenomenul electrolizei termice, care consta în încalzirea directa (în curent continuu) prin rezistenta a unui electrolit pâna la temperatura de topire si dintr-un proces chimic – electroliza sau rafinare.

A.6 CUPTOARE CU BAI DE SARURI

Aceste cuptoare se utilizeaza la tratamentele termice ale pieselor metalice, la temperaturi între 650 si 1.300°C, având avantajul imposibilitatii oxidarii suprafetelor acestora. Sarurile utilizate, neconductoare în stare solida, devin conductoare în stare topita. Trecerea curentului prin sarurile topite le încalzeste prin efectul Joule-Lenz si datorita fortelor electrodinamice si termice, favorizeaza aparitia curentilor de saruri care uniformizeaza temperatura în baie, încalzesc piesele prin convectie si pot avea actiuni chimice asupra lor. Din punct de vedere al materialului creuzetului, cuptoarele cu bai de saruri pot fi cu creuzet ceramic (utilizate pâna la 1.300°C) si cu creuzet de otel (pâna la 1.000°C, în cazul sarurilor care ataca ceramica).

B. CUPTOARE CU REZISTOARE CU ÎNCALZIRE INDIRECTA

Clasificare si domenii de utilizare

Cuptoarele cu rezistoare cu încalzire indirecta se pot clasifica, în functie de domeniul de utilizare, în: cuptoare pentru tratamente termice si încalzire, cuptoare pentru topirea metalelor si aliajelor, cuptoare de laborator, aparate electrocasnice si aparate pentru încalzirea electrocasnica a locuintelor.

Marea majoritate a cuptoarelor cu rezistoare o constituie cele pentru tratamente termice si încalziri ale materialelor metalice si nemetalice, care la rândul lor se construiesc în urmatoarele variante:

– cuptoare cu vid (transmiterea caldurii prin radiatie totala);

– cuptoare cu radiatii infrarosii (radiatie partiala);

– cuptoare de înalta temperatura (temperatura atmosferei din cuptor tc 600°C – radiatie predominanta si convectie);

– cuptoare de joasa temperatura (tc 600°C – convectie predominanta si radiatie).

Din punct de vedere al modului de actionare al încarcaturii în timpul încalzirii, cuptoarele cu încalzire indirecta sunt cu actionare intermitenta (încarcatura fixa, temperatura în fiecare punct a1 cuptorului fiind aceeasi) si cu actionare continua (încarcatura deplasabila, cuptorul fiind împartit pe zone având temperaturi diferite).

În functie de atmosfera din interior, cuptoarele cu încalzire directa pot fi cu vid, cu aer sau atmosfere controlate.

Cuptoarele pentru tratamente termice se utilizeaza pentru calirea si revenirea, recoacerea, cementarea si nitro carbrarea, precum si îmbatrânirea metalelor.

Încalzirea metalelor are drept scop:

– forjarea, matritarea, laminarea, presarea sau alte operatii de prelucrare la cald;

– sinterizarea materialelor metaloceramice;

– cositorizarea, zincarea si emailarea.

Cuptoarele pentru topire se folosesc la topirea metalelor având temperatura de topire scazuta (pâna la 500 °C).

Încalzirea materialelor nemetalice are urmatoarele domenii de utilizare:

– încalzirea materialelor plastice în scopul producerii, sudarii sau lipirii lor;

– arderea ceramicii;

– tratamentul termic al sticlei, sudarea si lipirea sticlei (parbrize, tuburi TV);

– uscarea lemnului, hârtiei, materialelor textile;

– uscarea vopselelor;

– prepararea alimentelor.

Avantajele principale ale cuptoarelor cu rezistoare apar în urmatoarele situatii:

– la încalzirea cu temperatura joasa, când se impun conditii pretentioase de reglare a temperaturii;

– la temperatura înalta, când sunt necesare atmosfere controlate;

– în zonele de mentinere ale cuptoarelor cu actionare continua;

– la încalzirea pieselor în miscare;

– la prelucrarea materialelor plastice;

– la cuptoarele de laborator care necesita temperaturi înalte si reglaj precis al temperaturii.

B.1 CUPTOARE PENTRU TRATAMENTE TERMICE

Din aceasta categorie, cele mai raspândite sunt cele de temperatura înalta
(tc = 600 – 1.200°C).

Cuptoarele cu actionare intermitenta prezinta urmatoarele variante:

– cuptor cu camera cu convectie libera sau fortata a aerului si încarcare manuala;

– cuptor vertical cu convectie libera sau fortata a aerului si încarcare cu macaraua a semifabricatelor lungi;

– cuptor cu clopot cu vid sau atmosfera controlata, manevrarea clopotului si pieselor facându-se cu macaraua;

– cuptor cu vatra mobila deplasata de troliu;

– cuptor cu elevator sau vatra ascensor actionata hidraulic.

Cuptoarele cu actionare continua au o productivitate ridicata si permit realizarea unui regim tehnologic (termic) complet, cuprinzând perioadele de încalzire, mentinere si racire a încarcaturii. În general, ele sunt împartite pe zone de temperatura, fiecare zona având alimentare si sistem de reglare automata independente.

Din punct de vedere al mecanismului de transport, cuptoarele cu actionare continua pot fi:

– cuptor tunel cu vatra mobila deplasata cu troliul, încarcat manual sau cu macaraua;

– cuptor cu propulsie, la care încarcatura este deplasata pe role sau sine, prin împingere cu mecanisme hidraulice;

– cuptor cu banda (sau lant) transportoare;

– cuptor cu melc transportor pentru încalzirea pieselor de dimensiuni reduse; o varianta a acestui cuptor este utilizata pentru extrudarea materialelor plastice;

– cuptor cu vatra pulsatorie;

– cuptor cu role;

– cuptor carusel;

– cuptor lung pentru încalzirea sârmelor sau benzilor.

B.2 CUPTOARE PENTRU TOPIREA METALELOR

Se utilizeaza în special la topirea aluminiului, magneziului, zincului, cositorului si a plumbului. La topirea în aceste cuptoare, lipsesc produsele de ardere, iar piesele turnate sunt de calitate superioara.

Dezavantajele principale ale acestor cuptoare sunt: randamentul termic scazut, consumul specific de energie electrica ridicat si durata de viata redusa a rezistoarelor. Cuptoarele pentru topire pot fi cu creuzet (fig. 15a) având capacitati în domeniul (50 – 200) kg si cu camera (fig. 15b) de (5 – 6) tone.

C. INDICATORI ENERGETICI AI
CUPTOARELOR CU REZISTOARE

Indicatorii energetici care permit caracterizarea atât din punct de vedere energetic, cât si economic a instalatiilor de încalzire cu rezistoare sunt:

– randamentul;

– puterile: activa, reactiva si aparenta;

– factorul de putere;

– consumul specific de energie;

– productivitatea.

Determinarea acestor indicatori este posibila prin intermediul bilanturilor energiilor sau puterilor, care se refera fie numai la cuptorul cu rezistoare, fie la instalatia de încalzirea în ansamblu (bilant general).

C.1 BlLANTUL GENERAL AL PUTERILOR SI MARIMII CARACTERISTICE

Bilantul puterilor este expresia practica sub forma tabelara sau grafica a principiului conservarii puterilor, evidentiind diferite elemente ale consumului acestora. Randamentul total total a1 instalatiei indica partea din puterea activa Ptot sau energia activa ceruta de la retea, care se transforma în putere utila Pu sau în caldura în încarcatura, conform relatiei:

tot = Pu/Ptot·100 = Pu/(Pu + pt + pe + prs + pT) (%)

sau

tot = ·rs·T

în care: pt, pe – reprezinta pierderile termice, respectiv electrice ale cuptorului

– randamentul cuptorului

prs, rs – pierderile, respectiv randamentul retelei scurte

pt, t – pierderile transformatorului de alimentare.

Bilantul puterilor active ale instalatiei electrotermice (forma grafica).

Figura 16.

Puterea utila este puterea necesara încalzirii masei m (în kg) a încarcaturii, de la temperatura initiala i (în grade Celsius) pâna la temperatura finala f, în timpul încalzirii ti (în secunde):

pu = m·c·(f – i)/ti (W)

în care c este caldura masica în J/kg·K dependenta de material si de temperatura.

C.2 RANDAMENTUL CUPTORULUI CU REZISTOARE

Randamentul cuptorului rezulta din bilantul puterilor si poate fi definit ca raport dintre puterea utila Pu si cea consumata de cuptor P, conform relatiei:

= (Pu/P)·100 = (Pu/·(Pu + pt + pe)) · 100 (procente)

Randamentul cuptorului mai poate fi exprimat ca produs a1 randamentelor termic t si electric e

= t·e = (Pu/(Pu + pt))·((Pu + pt)/(Pu +pt +pe))·100 (%)

Figura 17

RANDAMENTUL TERMIC arata ce parte din puterea dezvoltata de rezistoare
(Pu + Pt) contribuie la încalzirea încarcaturii (Pu) si poate fi exprimat si ca raport al cantitatilor de caldura Q corespunzatoare:

t = ((Pu/(Pu + pt))·(ti/t)·100 = (Qu/(Qu + Qpt))·100 (%)

Cantitatea de caldura pierduta Qpt contine pierderile termice:

– pentru încalzirea peretilor incintei la temperatura de lucru;

– prin peretii, orificiile si usile cuptorului;

– pentru încalzirea instalatiilor auxiliare de încarcare, descarcare si transport a încarca-turii;

– pentru încalzirea atmosferei din cuptor.

RANDAMENTUL ELECTRIC al cuptorului arata ce parte din puterea cuptorului (P) se transfera încarcaturii (Pu + pt) si poate fi exprimat si sub forma:

e = ((Rî·I2)/(R·I2))·100 %

în care R = Rî + Re

R.î fiind rezistenta încarcaturii, iar R.e rezistenta elementelor încalzitoare.

C.3 PUTERI, FACTOR DE PUTERE, CONSUMURI SPECIFICE SI PRODUCTIVITATEA CUPTORULUI ELECTRIC CU REZISTOARE

Puterea activa a cuptorului este

P = Pu/ = Pu + pt + pe

sau, exprimata în marimi electrice:

P = R·I2 = U2/ R

Puterea activa a instalatiei cu rezistoare este

Ptot = Pu/tot = Pu + pt + pe + prs + pt

sau, exprimata în marimi electrice

Ptot = (R + Rrs,)·I2 + Pt (W)

Puterea reactiva a cuptorului este Q = X·I2, iar X cea a elementelor încalzitoare.

Puterea reactiva a instalatiei cu rezistoare este:

Qtot = (x + xrs)·I2 + qt – Qc

în care: q.t – pierderile la mers în gol ale transformatorului;

Q.c – puterea reactiva a condensatoarelor destinate compensarii factorului de putere al instalatiei

Puterea aparenta a cuptorului este:

S = (P2 + Q2)1/2

iar a instalatiei cu rezistoare:

Stot = (Ptot2 + Qtot2)1/2 (VA)

Factorul de putere al cuptorului este:

cos = P/S

iar al instalatiei cu rezistoare:

cos = Ptot/ Stot

Consumurile specifice de energie sînt:

– pentru cuptor:

e = (P·t)/m = i/, kWh/ kg, tona, bucata

– si pentru instalatie:

etot = (Ptot·t)/m = i/tot kWh / kg, tona, bucata

Productivitatea:

D = m/t kg, t, bucata / h

în care t este durata totala a procesului de încalzire.

CAPITOLUL 2

TRANSMITEREA CALDURII

Transmiterea caldurii reprezinta schimbul de energie termica între doua corpuri (corpuri, zone ale aceluiasi corp, fluide) având temperaturi distincte.

Transmiterea caldurii poate avea loc în trei moduri:

– conductia – procesul de transmitere a caldurii în interiorul unui corp sau între corpuri cu temperaturi diferite, aflate în contact direct;

– convectia – procesul de transmitere a caldurii între un fluid (lichid sau gaz) si un corp solid;

– radiatia – procesul de transformare a energiei termice a unui corp încalzit în energie radiata si transmiterea acesteia sub forma unor unde electromagnetice.

2.1. Transmiterea caldurii prin conductie

Temperatura unui punct oarecare al corpului este functie de coordonatele corpului si timp.

Totalitatea temperaturilor tuturor punctelor corpului la un moment dat formeaza câmpul de temperatura.

Daca temperaturile câmpului variaza în timp, câmpul este nestationar, în caz contrar este stationar.

Conductia termica stationara prezinta importanta la calculul caldurii pierdute prin peretii cuptoarelor, iar cea nestationara la stabilirea variatiei în timp a temperaturii încarcaturii cu implicatii directe asupra încarcaturii cu implicatii directe asupra timpului necesar de încalzire si deci, a puterii cuptoarelor.

Legea generala de transmitere a caldurii prin conductie termica sau legea lui Fourier este o lege cantitativa, si are urmatorul enunt, pentru cazul general al regimului nestationar: “Cantitatea de caldura transmisa în unitatea de timp, prin unitatea de suprafata a unui corp este proportionala cu caderea de temperatura”

q =-·(d/dn)

Factorul de proportionalitate se numeste conductivitate termica si arata proprietatile intrinseci ale corpului referitoare la conductia termica.

Formule pentru calculul transmiterii caldurii prin conductie si regim stationar:

1. Pentru un perete plan omogen

– fluxul termic

– temperatura

unde pentru < 2 si << 1

2. Perete plan format din n straturi omogene de naturi diferite

– fluxul termic

– temperatura

unde pentru > 2 si << 1

3. Perete cilindric omogen cu d2/d1 > 2

– fluxul termic

– temperatura

în care si

Perete cilindric omogen având d2/d1 2

– fluxul termic

– temperatura

4. Perete cilindric format din n straturi omogene de naturi diferite

a) – fluxul termic

– temperatura

b) – fluxul termic

– temperatura

unde: ;

2.2 TRANSMITEREA CALDURII PRIN CONVCTIE.

Schimbul de caldura prin convectie este caracteristic fluidelor în miscare si la el participa cantitati macroscopice de fluid încarcate cu energie termica.

Aceasta energie cedata fie fluidului, fie peretilor solizi ce determina si delimiteaza miscarea fluidului.

De asemenea, fenomenul de convectie termica este intim legat de miscarea fluidului si în studiul sau trebuie avuta în vedere viteza, caldura specifica si densitatea fluidului.

Deoarece în stratul limita schimbul de caldura dintre solid si fluid se face prin conductie, rezulta ca valoarea coeficientului de conductie va juca un rol mai mare sau mai mic în schimbul de caldura convectiv, dupa cum curgerea este laminara sau turbulenta.

În ceea ce priveste curentii de convectie termica, acestia pot fi generati prin diferente de densitate sau prin diferente de presiune (la convectia fortata).

La convectia libera sau naturala, în masa fluidului apar curentii liberi orientati pe verticala, ca urmare a variatiei densitatii fluidului, provocate de o diferenta de temperatura.

Acesti curenti apar când în masa lui exista forte ascensionale capabile sa învinga gravitatia si fortele tangentiale interne datorate vâscozitatii.

În convectia fortata, curentul fluid poate avea orice directie, iar schimbul de caldura se face cu un consum suplimentar de energie.

În cazul convectiei fortate caracterizata prin curenti fortati ascendenti cu viteza mare, apare si un curent liber de care trebuie sa se tina seama în calcule.

Transmiterea caldurii prin convectie poate fi mult activata daca se aduce (în mod artificial) curentul de fluid în stare turbionara si se iau masuri pentru micsorarea stratului limita (se favorizeaza contactul intim fluid-solid).

Ecuatiile de transmitere a caldurii prin convectie sînt ecuatiile hidrodinamicii ce primesc si un caracter termic, prin variatia de temperatura si fortele ascendente ce le provoaca acestea, datorita modificarii densitatii.

Integrarea ecuatiilor ce descriu convectia este dificila si de aceea se recurge la similitudine.

Schimbul de caldura prin convectie prezinta importanta la calculul termic al cuptoarelor functionând la temperaturi joase (sub 973 grade Kelvin), la determinarea pierderilor de caldura prin pereti (mantaua cuptorului-mediu ambiant), precum si a caldurii evacuate din instalatiile racite cu apa sau aer.

Fluxul termic schimbat prin convectie între un perete (de suprafata A si temperatura p) si un fluid ce îl spala (f < p) se determina cu ajutorul legii lui Newton:

c = c·(p – f)·A W

unde c reprezinta transmisivitatea – coeficientul de cedare a caldurii prin convectie, în W/m2·grad

Transmisivitatea depinde de urmatorii factori:

natura miscarii fluidului;

regimul de curgere a fluidului caracterizat prin numarul Reynolds

Daca 0 < Re < 2.350 – convectie laminara

pentru 2.350 < Re < 10.000 – zona intermitenta

iar daca Re > 10.000 – convectia este turbulenta.

2.3 TRANSMITEREA CaLDURII PRIN RADIAtIE

Radiatia termica reprezinta transmiterea caldurii prin radiatie electromagnetica, având lungime de unda în 1 mm la 400 mm.

Transmiterea caldurii se produce de la corpul cu temperatura ridicata – emitator, la cel cu temperatura coborâta – receptor, conform legilor radiatiei energiei electromagnetice.

Legile radiatiei termice

Legea lui Stefan-Boltzmann stabileste dependenta fluxului termic total emis de unitatea de suprafata a corpului negru de temperatura T (în grade Kelvin) a acestuia sub forma emitantei totale:

W/m2

în care: Cn = 5,67 W/m2·K este coeficientul de radiatie a corpului negru

A – suprafata emitatorului în m2

Legea lui Wien-Planck (a deplasarii maximului) stabileste extensia densitatii spectrale a emitantei a corpului negru, raportata la banda sub forma:

în care C1 = 3.73·10-16 W·m2

C2 = 1,438·102 m·K

Legea lui Kirchoff stabileste ca raportul dintre emitanta termica totala sau spectrala si coeficientul de absorbtie este acelasi pentru toate corpurile:

sau

sau (T) = (t), respectiv (,T) = (,T)

Din legile Stefan-Boltzmann si Kirchoff rezulta emitanta termica totala a unui corp real sub forma:

M’ = M = C W/m2

Fluxul termic transmis prin radiatie între suprafetele întâlnite în tehnica

Stabilirea fluxului termic transmis prin radiatie are importanta la calculul pierderilor termice prin pereti, usi si orificii, a timpului de încalzire (deci a puterii) în cuptoarele cu rezistoare de temperatura înalta si cele cu infrarosii, a pierderilor termice de la suprafata pieselor sau a bailor de metal topit si la masurarea temperaturii cu ajutorul pirometrelor.

Fluxul termic emis de un corp având suprafata A, emisivitatea totala si încalzit la temperatura T1 în mediul înconjurator aflat la temperatura T2 este

W

în care valorile coeficientului de diafragmare = (d1/h) sunt date tabelar.

Fluxul termic transmis între doua corpuri de forma oarecare, având suprafetele A1, si A2, temperaturile T1 si T2, emisivitatile e1 si e2, este:

unde C12 este coeficientul redus de radiatie:

W/m2·K4

în care 12 – emisivitacea redusa

A12 = 12·A1 = 12·A2 – suprafata de calcul a radiatiei transmise

12, 21 – fractiuni reprezentând fractiuni din radiatia primului corp care cade asupra celui de-al doilea corp si invers.

Fluxul termic transmis între doua placi plane-paralele, având suprafetele A1 < A2 si temperaturile T1 > T2 este

având

sW/m2·K4t deoarece A12=A1=21·A2

2.4 TRANSMITEREA COMPLEXA A CALDURILOR

În aplicatiile industriale convectia termica nu poate fi separata de radiatie, ceea ce conduce la urmatoarea expresie a fluxului termic complex, transmis între un fluid (f) si un corp solid (s):

= c + r = (f – s)·A sWt

unde (f > s)

c, r sunt fluxul termic transmis prin convectie, respectiv prin radiatie, în

sW/m2·Kt

– emisivitatea corpului solid

A – suprafata solidului sm2t

Aceasta situatie se întâlneste la calculul pierderilor termice totale prin peretii cuptorului si a tevilor de transport a fluidelor, la calculul termic si electric al cuptoarelor de temperatura medie.

Rezistenta termica complexa va fi data de

Utilizând aceasta relatie, precum si relatia rezistentei termice ate conductiei, se pot calcula fluxurile termice transmise printr-un perete plan format din mai multe straturi, rezultând distributia temperaturilor:

Fluxul termic complex este deci:

sWt

adica:

sWt

în care cu indicele i s-au notat marimile corespunzatoare interiorului cuptorului, cu e cele corespunzatoare exterioarului, iar cu j = 1…n, cele corespunzatoare straturilor care compun peretele.

Cu ajutorul acestor relatii se pot obtine si temperaturile dintre straturi:

s°Ct

Pentru un perete cilindric format din mai multe straturi, fluxul termic complex este:

Pentru un perete sferic din mai multe straturi, fluxul termic este dat de:

Pentru temperaturile dintre straturi:

CAPITOLUL 3

MATERIALE DE CONSTRUCTIE

Materialele utilizate la constructia incintelor cuptoarelor electrice trebuie sa aiba anumite proprietati, pentru a corespunde proprietatilor de functionare la temperaturi ridicate.

3.1 Materialele refractare si materiale termoizolante.

3.1.1 Materialele refractare se utilizeaza la constructia captuselilor interioare ale cuptoarelor. Aceste materiale au temperatura maxima de lucru peste 1.500°C si trebuie sa posede urmatoarele calitati:

– rezistenta mecanica la temperaturi înalte;

– stabilitate termica

– capacitatea de a suporta variatii bruste ale temperaturii;

– stabilitate chimica;

– conductivitate termica si caldura specifica redusa.

Reducerea conductivitatii termice se obtine prin micsorarea densitatii, ceea ce provoaca la rândul ei scaderea caldurii specifice a zidariei, fapt important mai ales pentru cuptoarele cu functionare periodica:

– rezistenta electrica mare;

– stabilitate dimensionala;

– pret de cost redus;

– tehnologitate la fabricatia produselor de diferite configuratii; acestei cerinte îi corespund în mare masura oxizii diferitelor elemente.

O mare întrebuintare au primit materialele refractare din sistemul
SiO2-AI2O3 si mai ales samotele – materiale preparate clin argile refractare si caoline (silicati de aluminiu) având diferite compozitii chimice si refractaritati.

În conformitate cu standardele în vigoare, samotele trebuie sa contina minimum 30% AI2O3-TiO3. În functie de continutul în AI2O3-TiO3, produsele din samota au refractaritatea între 1.610-1.750°C.

În constructia de cuptoare electrice au primit o mare raspândire produsele refractare usoare (cu porozitate marita). Acestea, pe lânga refractaritate si rezistenta mecanica marita au coeficientul de conductivitate si densitate mult mai mici. Din materialele apartinând sistemului SiO2-AI2O3 fac parte si materialele cu continut mare de alumina, care contin cel putin 45% Al2O3 si au refractaritate peste 1.770°C. Aceste produse se caracterizeaza printr-o refractaritate ridicata, rezistenta mecanica si rezistenta la atac chimic.

Din aceasta grupa fac parte produsele silimanitre, malitre, malito-corinolonice, corindonice.

Silica, care contine 93…98 % SiO2, poate fi considerata ca apartine tot sistemului SiO2-A1O3. Se fabrica mai ales din cvartite cristaline, are un pronuntat caracter acid si este produsul refractar care rezista cel mai bine la atacul zgurilor acide. Spre deosebire de celelalte materiale refractare silica, se dilata.

Produsele din silica au o rezistenta mecanica ridicata la temperaturi înalte; temperatura începutului deformarii sub sarcina este apropiata de cea care le determina refractaritatea, în schimb, stabilitatea termica este mica.

La cuptoarele electrice se folosesc si produse magnezitice, cromo-magnezita, magnezito-cromita, având refractaritate mai mare de 2.000°C. La cuptoarele electrice cu rezistoare, cu temparaturi de 1.400 –1.500°C, pentru mufle, ghidaje si placi sustinatoare se foloseste adesea carburundul, care este o carbura de siliciu. Materialul are refractaritate înalta si rezistenta mecanica la temperaturi ridicate, este un bun conducator de caldura si electricitate si stabilitate termica buna.

3.1.2 MATERIALE TERMOIZOLANTE

Materialele termoizolante trebuie sa aiba conductivitate termica si caldura specifica mici, refractaritate si rezistenta mecanica satisfacatoare, si sa fie ieftine.

Produsele termoizolante se caracterizeaza sub forma de caramizi, placi, blocuri, bulgari, material granular (pentru umplutura) etc.

Cel mai raspândit material izolant este diatomita, care consta din aglomerari de alge minuscule, în a caror compozitie intra oxizi de siliciu (pâna la 90 % SiO2).

Azbestul este un mineral cu o constitutie fibroasa, ale carui fibre sînt destul de rezistente la tractiune, dar foarte friabile (sfarâmicioase).

Din azbest se fabrica carton, hârtie, snur, pânza etc.

Azbestul intra si drept component într-o serie de alte materiale termoizolante: lazbazurit, novoazbazurit, azbomica, azbozanalit etc.

În aceste materiale diatomita joaca rolul de material termoizolant de baza, iar azbestul si mica, rolul de armatura. Se întâlnesc de asemenea pe scara larga vata de sticla si vata minerala din care se fabrica materialul de umplutura, placi etc.

Un bun termoizolant este zonalitul, a carui temperatura de întrebuintare poate atinge 1.100°C. Din ele se fac mai ales materiale de umplutura,dar se produc si placi, placute, caramizi etc.

Oxizii cu refractaritate ridicata se folosesc ca material termoizolant la cuptoarele cu vid, pentru temperaturi înalte si la cuptoarele de inductie cu vid cu tub de cuart.

3.2.MATERIALE SI TIPURI CONSTRUCTIVE DE REZISTOARE

Din punct de vedere al materialelor din care sunt confectionate, rezistoarele se împart în urmatoarele grupe:

* Materiale metalice – dintre care cele mai uzuale sunt aliajele crom-nichel si fier-crom-aluminiu, molibdenul, tantalul, wolframul. În cuptoarele de joasa temperatura se utilizeaza si aliaje pe baza de cupru-nichel ca nichelina, constantanul etc.

* Materiale ceramice si metalo – chimice, carbura de siliciu si disiliciura de molibden.

* Carbune si grafit

Alegerea materialului rezistoarelor se face pe baza elemente:

– rezistivitate electrica mare, conducînd la sectiuni mari si lungimi mici ale rezistoarelor; puteri specifice de suprafata si durate de functionare marite;

– coeficient de temperatura al rezistivitatii redus, determinînd o variatie redusa a puterii între starile reci si calde ale rezistoarelor;

– rezistenta mecanica buna în domeniul temperaturilor de lucru;

– stabilitate chimica fata de atmosfera din cuptor si fata de materialele din constructie;

– rezistenta la coroziune si la forma tunderului;

– durata de functionare a rezistorului.

Durata de functionare depinde, in afara de temperatura rezistorului de frecventa de conectare, puterea specifica superficiala, conditii de transmitere a caldurii spre mediul ambiant, atmosfera de lucru din cuptor si modul de fixare.

Din punct de vedere al modului constructiv, se deosebesc:

– elemente rezistoare incalzitoare acoperite (înglobate);

– elemente incalzitoare descoperite (libere), care radiaza liber si sunt preferate în constructia cuptoarelor.

Rezistoarele elementelor încalzitoare descoperite prezinta urmatoarele tipuri constructive:

– s=rma în spirala;

– s=rma în spirala pe tub ceramic;

– sîrma si banda in zig-zag (fig 3.33;

– elementi dc incalzire a gazului in cuptoare cu convectie fortata;

– bare rotunde.

Elementele rezistoare acoperite se clasifica in:

– rezistoare inglobate in elemente din fibre ceramice;

– corpuri incalzitoare;

– benzi, cabluri, mantale incalzitoare;

– folii incalzitoare.

Rezistentele din s=rma în spirala (diametrul 3…7 mm) sau zig-zag (3…20 mm) sînt fixate cu c=rlige metalice, sau în caramizi fasonate, pe peretii, bolta, sau vatra incintei, dimensiunile de calcul fiind date tabelar, în functie de raportul dintre pasul spiralei sau zig-zagului si diametrul D, sau înaltimea H a s=rmei.

Observatii:

– transfer de caldura prin radiatie;

– transfer de caldura prin convectie;

– valori minime pentru functionarea la atm : 6 mm;

– valori maxime cu rezerva de temperatura de 20 % = 6..14 mm;

– îndoirea se face si la rece, dar pentru diametre de peste 6 mm si sectiuni de mai mari de 2.5 mm2 se face o preîncalzire la 30-400 °C pe o lungime de (3…4) ·R.

Rezistoarele din sarma în spirala pe tub ceramic, fixate în caramizi fasonate sau suporti metalici, au avantajul ca nu sunt ecranate termic pe suportii de fixare.

Raportul dintre diametrul interior a1 spiralei (Di) si diametrul exterior (De) al tubului ceramic, se recomanda a fi:

Di/De = 1,1 – 1,2

Rezistoarele din banda în zig-zag sunt fixate cu carlige metalice în caramizi fasonate, pe rame detasabile sau tuburi cermice, pe pereti, bolta sau vatra.

Diametrele de calcul se dau tabelar, raportul dintre latura mare (b) si latura mica (a) a sectiunii transversale se alege constructiv adaptand un raport m = b/a = 5…20 (valoare recomandata m = 10).

La temperaturile cuptorului sub 1.000 °C, se aleg sectiuni ce depasesc 1·10 mm2, iar peste 1.000 °C sectiuni mai mari de 2·20 mm2.

Capetele rezistorului se scot prin captuseala cuptorului, si se prevad cu borne din otel refractar, sau aliaje crom-nichel.

CAPITOLUL 4

INSTALATIA ELECTRICA SI REGLAREA
AUTOMATA A TEMPERATURII

Cuptoarele electrice cu rezistoare sunt alimentate:

– direct la reteaua trifazata de joasa tensiune, la puteri de 50 kW, modificarea puterii realizându-se cu autotransformatoare sau cu variatoare de tensiune alternativa cu tiristoare;

– din reteaua de medie tensiune, sub 20 kV la puteri mari, prin transformatoare cu prize de reglaj a tensiunii.

Modificarea tensiunii de alimentare a cuptorului în vederea modificarii puterii absorbite si ca urmare a temperaturii din camera cuptorului poate fi realizata prin: schimbarea raportului de transformare al transformatorului cu ajutorul unui comutator de prize sub sarcina, comutarea conexiunii primare a transformatorului (D/l), utilizarea autotransformatorului cu contacte alunecatoare, utilizarea amplificatoarelor magnetice conectate in serie cu cuptorul, folosirea tiristoarelor în scheme de variatoare de tensiune alternativa.

a. Rezistoarele cuptorului sunt împartite în trepte. În figura 21 se exemplifica unele posibilitati de modificare în trepte a puterii absorbite; s-a notat cu l00% puterea absorbita la prima treapta comutarea treptelor se realizeaza prin contactoare.

b. Prezenta amplificatoarelor magnetice este favorabila sub aspectul pierderilor de putere relativ reduse, însa factorul de putere al instalatiei devine mai mic si trebuie compensat. La o tensiune constanta de alimentare U, expresia puterii cuptorului având conectat în scrie un reostat reglabil sau o bobina cu saturatie este:

si

în care R este rezistenta electrica a rezistorului cuptorului; r – rezistenta electrica a reostatului conectat în serie cu cuptorul; cos – factorul de putere.

Relatia de mai sus presupune ca s-au neglijat pierderile de putere în rezistenta bobinei amplificatorului magnetic.

c. Sistemele actuale de reglaj automat al temperaturii cuptoarelor cu rezistoare folosesc:

– Regulatoare bipozitionale sau cu sistem binar (reglaj în limitele ±5 – ±10 °C) la care marirea preciziei de reglaj necesita frecvente mari de conectare deconectare, limitate în cazul folosirii comutatoarelor mecanice (fig. 21,a).

– Regulatoarele continue, tip P, PI sau PID, actioneaza asupra comenzii reactantelor saturabile sau a tiristoarelor variatoarelor, permitând un reglaj precis al temperaturii si urmarirea unui anumit regim termic, (fig. 21,b).

a)

b)

Puterea P1=350W

absorbita P2=350W 1500W 1150W 800W 350W 250W 140W

P3=800W

Figura 20.

Explicativa pentru formarea unor trepte ale rezistentei rezistorului:
a – echipamente industriale de puteri mari; b – echipamente de putere redusa (plite electrice).

Figura 21 .

Reglarea temperaturii cu: a – regulatoare bipozitionale;

b – regulatoare continue.

Figura 22

Explicativa pentru intreruperea periodica a alimentarii

Variatoarele de tensiune alternativa folosite pentru reglarea puterii cuptoarelor electrice cu rezistoare pot fi:

– Variatoare cu întreruperea periodica a alimentarii, conectarea si deconectarea cuptorului se face la trecerea naturala a tensiunii prin zero. Cuptorul este alimentat, în mod periodic, cu un numar variabil (n-k) de semiunde, (fig. 22).

Factorul de comanda k permite reglajul în trepte al puterii între valoarea zero (pentru k=n) si valoarea nominala PN=U·IN.

Avantajele acestui tip de variator, influenta redusa asupra retelei de alimentare si lipsa consumului de putere reactiva, au determinat utilizarea în exploatare si la puteri mari de 200 kW – varianta monofazata si 600 kW – varianta trifazata.

Variatoare de tensiune alternativa cu tiristoare cu comanda continua a unghiului a de deschidere a celor doua tiristoare functionând în mod simetric, în montaj antiparalel. Expresiile puterii, tensiunii si curentului pentru un cuptor monofazat sunt

Acest tip de variator prezinta din punct de vedere energetic dezavantaje, deoarece produce armonice superioare de ordinul 3,5,7 etc., influentând retea-ua de alimentare. Totodata consumul de putere reactiva este important la puteri mari.

CAPITOLUL 5

CALCULUL CUPTOARELOR ELECTRICE CU REZISTOARE CU ~NCALZIRE INDIRECTA SI FUNTIONARE INTERMITENTa

La calculul unui cuptor electric cu incazire. indirecta este necesar sa se cunoasca: forma si natura materialului supus incalzirii, regimul de functionare, productivitatea acestuia, precum si alti parametri precizati de tehnolog.

Din punct de vedere a1 regimului tehnologic, un ciclu complet de functionare presupune încalzirea (cu durata t.î), mentinerea (t.m) si racirea (t.r) materialelor din cuptor, iar la cuptoarele cu functionare intermitenta mai apare în durata ciclului (t.e) si timpul necesar încarcarii – desearcarii instalatiei (t.î.d.), deci:

t.c = t.î + t.m + t.r + t.i.d (s) sau (h)

Figura 23.

Regimul tehnologic al tratamentului termic pentru:

a – piese subtiri; b – piese groase

~n eeea ce priveste transmisia caldurii în masa corpului, se pot evidentia doua cazuri particulare si anume:

– cazul peretilor subtiri,la care temperatura la suprafata peretelui (s) este egala cu cea din axul acestuia (ax), adica s = ax

– cazul pieselor groase, la care intre temperatura la suprafata si cea din ax apare o diferenta

= s – ax

care la sfîrsitul perioadei de încalzire are o valoare i care trebuie sa fie mai mica decît valoarea admisibila (adm) pemisa de regimul tehnologic.

Daca i > adm este necesara mentinerea pieselor în cuptor pentru egalizarea temperaturii pina este satisfacuta inegalitatea:

i < adm

Racirea pieselor in cuptor se face rar, întrucat aceasta operatie conduce la pierderea caldurii acumulate in peretii cuptorului si deci la randamentul termic scazut al cuptorului.

5.1 ÎNCALZIREA PIESELOR SUBTIRI

La introducerea pieselor în cuptor, temperatura acestuia (c) scade la va1oarea ('c), iar temperatura rezistoarelor r) scade, de asemenea, pana la va1oarea ('r).

Figura 24.

În continuare, temperatura în cuptor creste, pîna la va1oarea maxima (cM); la fel temperatura rezistoarelor atinge (rM), iar piesa ajunge la temperatura (”p). Din acest moment începe functionarea sistemului de reglaj automat al temperaturii (SRA) care poate fi continua sau discontinua.

Datorita actiunii SRA, puterea cuptorului, care la începutul procesului de încalzire are valoarea P1 = Pc, (puterea nominala a cuptorului), scade pîna la o valoare egala cu valoarea pierderilor termice (p.t) în regim stationar.

Se observa deci, ca încalzirea piesei se face în doua etape distincte, si anume:

– încalzirea la densitate constanta a fluxului termic primit la suprafata piesei, egala cu:

q.p q.s = (P.c – p.t)/A.p P.u/A.p

unde A.p = A.cp + A.pr – suprafata laterala a piesei încalzite prin convectie (A.cp) si prin radiatie (A.rp). Pe durata t.i1 a acestei încalziri piesa absoarbe întreaga putere utila a cuptorului, atingînd la sfarsitul intervalului, temperatura "p.

– incalzirea la temperatura constanta

c = cM = const.

în intervalul t.i2, cand temperatura piesei creste în continuare de la (”c) la temperatura prescrisa (i).

Consideram acum cazul încalzirii pieselor subtiri în cuptoare de joasa temperatura, cu convectie bilaterala a aerului.

a') Timpul de încalzire t.îl la cantitatea de flux termic constanta q.p const.; piesa se încalzeste prin convectie si radiatie, deci:

unde – coeficientul complex de schimb de caldura prin convectie si radiatie între cuptor si piesa.

c = 12(W/mp°C)

iar pentru cazul considerat

t = ti ; c =cM ; p ='p =

avem:

~nlocuind c si r în expresia lui q.p rezulta:

de unde rezulta valoarea ”p cu ajutorul careia determinam t.îl

b') Timpul de încalzire la temperatura constanta c const, t.îr se determina din bilantul termic al piesei

prin integrare:

rezulta

cu :

Timpul total de incalzire va fi

t.i = t.i1 + t.i2

În final, consideram cazul încalzirii pieselor subtiri în cuptoare de joasa temperatura cu convectie fortata de aer.

a") Timpul de încalzire t.î1 la densitate de flux constant

Densitatea de flux termic la timpul t.î t.îl, va fi:

de unde rezulta temperatura la sfarsitul intervalului

în care: grade Celsius – temperatura maxima a aerului

gp- coeficientul de schimb de caldura prin convectie între gaz si piesa.

Durata intervalului de incalzire în aceste conditii rezulta din ecuatia de bilant termic:

Deci:

b") TimpuI de incalzire t.î2 la temperatura constanta

g gM const

Din ecuatia de echilibru termic pe intervalul considerat

rezulta:

Este necesar ca gM > i pentru a reduce timpul t.î2, dar diferenta g – i nu trebuie sa fie prea mare, pentru a nu supraîncalzi piesa.

Modificarea timpilor t.î1 si t.î2 se poate face si prin modificarea lui gp, mai ales ca acest coeficient nu poate avea o valoare sub limita inferioara necesara, deoarece temperatura gazului g ar creste peste valoarea dorita, si SRA ar limita puterea P.c a cuptorului.

De aceea este necesar ca:

Pu = Pc – pt = qp·Ap < gp· Ap

adica

qp < gp·

Timpul total de incalzire, ca si in cazurile anterioare, este:

ti = tî1 + ti2

5.2. PROIECTAREA CUPTOARELOR ELECTRICE CU
REZISTOARE PENTRU STERILIZAREA
MATERIALULUI MEDICAL

~n acest sens se executa:

– calculul termic

– calculul electric

Date generale de calcul:

– dimensiunile geometrice ale cutiilor de sterilizare:

– a x b x c in mm

– proprietati fizice ale materialuluicutiilor

– .p – densitatea materialului -(kg/m3)

– c.p – caldura specifca a materialului (J/kg.grd)

– .p – conductivitatea termica (W/m.grd)

– .p – gradul de innegrire a materialului

– temperatura initiala a cutiilor ’p sau ’0 (grd)

Date specifice de calcul:

– temperatura finala de încalzire a cutiilor ’i (grade C)

– viteza maxima de racire a cutiilor in cuptor v.r (grade C/h)

– durata perioadei de încalzire tî (h)

– durata perioadei de racire tr (h)

– durata perioadei de mentinere tm (h)

Se cer:

– durata ciclului tc (h)

– randamentul termic al cuptorului

– puterea cuptorului Pc (kW)

Observatii

Dupa primirea temei de proiectare, se calculeaza criteriul Biot pentru începutul si sfirsitul perioadei de încalzire considerînd într-o prima aproximare ca suprafetele piesei si cuptorului sînt egale, adica A.c A.p, de unde:

relatie valabila pentru transmiterea caldurii preponderent prin radiatie

c = 0.8 – gradul de inegrire al cuptorului

p – gradul de inegrire al cutiilor

– coeficientul complex de schimb de caldura prin convectie si radiatie la începutul incalzirii ’cp respectiv la sfarsitul incalzirii ”cp sunt dati de:

de unde rezulta:

– temperatura maxima la cuptoarele de joasa temperatura (grade Celsius) Cu aceste date rezulta criteriul Biot la începutul si sf=rsitul perioadei de încalzire:

si în functie de valoarea B.i max (B'.i, B".i), piesa se considera subtire (B.i < 0,5) sau groasa (B.i > 0,5), calculele termice desfasurandu-se în consecinta.

~n cazul pieselor subtiri, considerat de noi în continuare, vom lua ”p = i.

5.2.1. CALCULUL TERMIC AL CUPTOARELOR ELECTRICE CU REZISTOARE PENTRU STERILIZARE

Calculul termic are drept scop:

– determinarea duratei ciclului de functionare, care presupune un calcul estimativ si unul exact;

– determinarea parametrilor constructivi: dimensiunile interioare si exterioare, materiale refractare, termoizolante si de constructie a rezistoarelor.

– determinarea parametrilor energetici: puterea instalats, randament termic.

CALCULUL TERMIC – METODA APROXIMATIILOR SUCCESIVE

1.Durata estimtiva a ciclului se stabileste pentru o singura piesa de arie Ap = Apr + Ape in ipoteza ”p = i si la ti impus

– timpul de incalzire estimat

Se verifica daca t* = ti, in caz contrar modificandu-se cM astfel:

cM = i + (30 ÷ 50°C)

– timpul de mentinere impus prin tema:tm;

– timpul de racire:tr;

– durata estimativa a ciclului

t c = t î + tm + tr

2. Durata exacta a ciclului presupune stabilirea densitatii de flux termic q.p corespunzator acelei valori cM care a condus la tî.* = tî, stabilirea dimensiunii camerei de lucru si alegerea materialelor refractare si de izolatie termica.

-coeficientul redus de radiatie

unde Atpr = np ·Apr

Ac – aria radianta a cuptorului

-densitatea de flux termic

cu Atp = npAp

np – numar cutii

-temperatura piesei la sfirsitul primei perioade de încalzire

cu valorile Ccp si qp calculate mai sus

-durata perioadei de încalzire

care nu trebuie sa depaseasca cu mai mult de +/-5la suta pe cea impusa, daca nu sînt si alte restriclii

-timpul de mentinere este impus prin tema ·

-timpul de racire de determina cu relatia:

in care:

Qai = Qpi + Qri + Qizi – caldura acumulata de instalatie la sfarsitul perioadei de incalzire

Qar = Qpr + Qrr + Qizr – caldura existenta în instalatie la sfarsitul perioadei de racire

Qpi = np·mp·cp·(i – ’p) – cantitatea de caldura continuta de cutie la sf=rsitul incalzirii

Qpr = np·mp·cp·(r – ’p) – cantitatea de caldura continuta de cutie la sf=rsitul racirii

Qri = mr·crx·medi – cantitatea de caldura din materialul refractar, la sf=rsitul încalzirii

Qrr = mr·cr·medr – cantitatea de caldura continuta de materialul refractar, la sf=rsitul racirii

Qizi = miz·ciz·mediz – cantitatea de caldura continuta de materialul izolant termic la sf=rsitul încalzirii

Qizr = miz·ciz·medir – cantitatea de caldura continuta de materialul izolant termic la sf=rsitul perioadei de racire.

i respectiv r fluxurile termice de pierderi la sfarsitul încalziii, respectiv racirii, pentru un regim stalionar.

~n general:

– pentru pereti plan paraleli

-pentru pereti cilindrici

în care: Acj = 0,5·(Aj + Aj+1) – aria de calcul a stratului j (mp)

– Ae – aria exterioara a corpului (mp)

– Sj – grosimea stratului j (m)

– Lcj – lungimea medie a stratului

– j – coeficient de conductivitate termica (W/ m grad)

– e – coeficient complex de schimb de caldura (W/ mp grad)

* = cM si” = r

a – temperatura mediului ambiant (grade Celsius)

La calculul fluxului termic de pierderi este necesar sa se adopte valorile temperaturilor la suprafetele de separatie a materialelor de naturi diferite, cu ajutorul carora se determina si în final .

Se face verificarea acestor temperaturi:

-pereti plan paraleli

– sau pentru pereti cilindrici

numerotarea fiind facuta de la interior la exterior.

Eroarea de calcul este de cel mult (+/-) 5 %, iar in caz contrar calculele se reiau (se adopta alte temperaturi), iar în ultima instanta se modifica grosimea si natura materialelor de constructie.

5.2.2. BILANTUL TERMIC AL CUPTOARELOR
ELECTRICE CU REZISTOARE PENTRU STERILIZARE

Vom considera functionarea ciclica a instalatiei, ceea ce presupune neglijarea puterii cuptorului la punerea sa initiala în functiune.

Pentru un ciclu complet de functionare:

tc = ti + tm + tr

Energia totala consulnata va fi:

Qc = Qu + Qp

in care

Qu = mp·cp (i – ’p) = mp·Cp (sadm – 0)

Qu – caldura necesara încalzirii piesei

Qp – pierderi termice pe ciclu ale cuptorului – se determina separat pentru fiecare perioada a ciclului

unde Kt = ( 1,1…1,2) – coeficient de pierderi termice

Fluxul pe durata mentinerii este numeric egal cu cel de la sfarsitul încalzirii.

– Randamentul termic al cuptorului

= Qu / Qc

– Puterea cuptorului

unde Ks = (1.3…1.5) – coeficient de siguranta

Qi – caldura necesara în perioada de incalzire

5.3. CALCULUL ELECTRIC SI ALEGEREA REZISTOARELOR

l. Puterea specifica a rezistoarelor

Durata de viata (functionare) a rezistoarelor este determinata de puterea lor specifica p, adica de densitatea fluxului termic pe care acestea îl pot emite în conditiile date de cuptor:

p = P /Ar sW/m2t

in care: P – puterea rezistorului

At – suprafata laterala a rezistorului

Puterea specifica a rezistoarelor depinde de materialul si de temperatura lor de lucru rM, iar valoarea ei admisibila depinde de temperatura adm .

~n cele ce urmeaza se va stabili puterea specifica rezistoarelor din cuptoarele de temperatura inalta in care predomina transmiterea caldurii prin radiatie.

Daca se considera un cuptor electric ideal, în care nu exista pierderi prin captuseala (pt = 0), iar rezistorul este executat sub forma unei table subtiri care inconjoara incarcatura ecuatia schimbului dc caldura prin radiatie este:

(1) sWt

in care: Pu – puterea utila a incarcaturii

P – puterea rezistorului

Cpr – coeficientul redus de radiatie al sistemului incarcatura – rezistor

pr – emisivitatea redusa a sistemului incarcatura – rezistor

p, r – emisivitate totala a incarcaturii, respectiv a rezistorului

Trm, Tp – temperatura maxima a rezistorului, respectiv a incarcaturii, in °K

A – suprafata piesei, egala cu a rezistorului ideal

Din relatia (1) rezulta:

s°Kt

– puterea specifica a rezistorului ideal

În cazul în care atat rezistorul cat si încarcatura sunt corpuri negre (p = r = 1), notez puterea specifica ideala astfel:

si atunci

În cazul rezistoarelor reale din sarma, banda sau bara, amplasate pe peretii cuptorului, transmiterea caldurii are loc în sistemul rezistor – încarcatura – captuseala. Radiatia termica a rezistorului este partial ecranata de elementele constructive si de fixare, ceea ce impune înlocuirea suprafetei laterale Ar a rezistorului, printr-o suprafata de radiatie efectiva Aef (mai redusa, aflata la aceeasi temperatura), careia îi corespunde radiatia directa asupra încarcaturii, la aceeasi putere p a rezistorului.

Notînd puterea specifica reala cu

p = P/Ar

din egalitatea

p·Ar = Pid·Aef

rezulta

p = Pid·(Aef/Ar)

unde

ef c·t

Coeficientul c depinde de tipul constructiv si de modul de fixare al rezistorului, iar coeficientul t corecteaza valoarea coeficientului c· în functie de tipul constructiv al rezistorului.

În final se pot exprima:

– puterea specifica a rezistorului real:

– temperatura de lucru a rezistorului real

in care Aef ef·Ar

2. Dimensionarea rezistoarelor

Rezistoarele se dimensioneaza astfel încat sa asigure consumul de caldura al cuptorului, la o durata cat mai mare de functionare.

Cele doua conditii sunt exprimate de relatiile:

in care Pf – puterea cuptorului în W; în cazul cuptorului trifazat se va lua puterea pe o faza, iar in cazul rezistoarelor legate în paralel – puterea pe o ramura;

U – tensiunea de alimentare, în V (de faza la conexiunea stea sau de linie la conexiunea triunghi);

R – rezistenta elelnentului încalzitor, în i

– rezistivitatea elementului încalzitor, în i·mm2/m, la temperatura sa de lucru rM,

l – lungimea rezistorului, în m;

s – sectiunea rezistorului, în mm2;

p – puterea specifica a rezistorului, în W/cm2;

Ar – suprafata laterala a rezistorului, în cm2;

~n cazul rezistoarelor din sarma sau bara rotunda. rezolvarea ecuatiilor de mai sus conduce la diametrul

si lungimea

Pentru rezistoarele tip banda, de sectiune dreptunghiulara, notand cu m = b/a raportul celor doua dimensiuni obtinem:

b = m·a

si

3. Etapele calculului electric propriu-zis

1. Alegerea materialului rezistoarelor, în functie de temperatura de lucru rM = (1,02…1,1)·cM

si de cea admisibila, temperatura maxima a cuptorului fiind stabilita la calculul termic.

2. Alegerea tipului constructiv si modului de fixare a rezistoarelor (cîteva variante).

3. Alegerea conexiunii rezistoarelor, a numarului de ramuri în paralel pe o faza, rezultand puterea P si tensiunea U. Se recomanda ca tensiunea sa nu depaseasca 380 V, din motive de protectie împotriva electrocutarii. Micsorand tensiunea si marind puterea, rezistoarele vor avea o sectiune mare, ceea ce va conduce la o durata de functionare marita.

4. Calculul dimensiunilor rezistoarelor

5. Alegerea variantei optime pentru materialul, tipul constructiv si modul de fixare al rezistoarelor, amplasarea lor definitiva, stabilirea valorii finale a puterii specifice si a dimensiunilor de calcul ale spiralelor si zigzagurilor care nu trebuie sa fie mai reduse decat cele de la punctul 3.

6. Verificarea temperaturii de lucru a rezistoarelor conform relatiei

rM < r.adm

7. Stabilirea schemei electrice echivalente, a randamentului electric, e, a consumului specific de energie electrica e.

unde – pierderi electrice, si a celorlalte caracteristici de functionare ale cuptorului (indicatori energetici).

– randament electric

– randament termic

Randamentul cuptorului:

= <

~n situatia in care nici un tip de rezistor nu incape in cuptor, se impune fie inlocuirea materialului acestuia cu altul avand puterea specifica mai mare, fie marirea suprafetei interioare a incintei sau scaderea tensiunii de alimentare.

5.4. BREVIAR DE CALCUL

Date generale de calcul:

– destinatia cuptorului: sterilizare material si instrumentar medical;

– tip constructiv: cuptor cu camera cu functionare intermitenta si încalzire indirecta a materialului;

– caracteristicile materialului de tratat:

– cutii dreptunghiulare cu dimensiunile:

– lungime: L = 220 mm

– latime: l = 110 mm

– înaltime: h = 50 mm

Nr. maxim de cutii: 3 buc .

– caracteristicile fizice de calcul:

– densitate: p = 7,8·103 kg/m3

– caldura specifica a materialului: cp = 630 J/kg·grd

– gradul de înnegrire al cutiei ep = 0,7

– masa cutiei: mp = 4 kg

– conductivitatea cutiei: p = 50 W/m·grd

– difuzivitatea termica a cutiei: ap = 9,9·10-5 m/s2

– ciclul de functionare: decurge cu încalzirea cutiilor în cuptor de la:

’1p = 20°C la 180°C, cu un regim de stabilizare a temperaturii la 180°C timp de o ora.

Se impune pentru temperatura maxima (de regim stabilizat fara actiunea termostatului) valoarea de cca. 320°C deci:

A. CALCULUL TERMIC AL CUPTORULUI

1. Stabilirea tipului de piesa din punct de vedere al regimului de încalzire:

– determinarea criteriului Biot:

cunoscând ca ep = 0,7

respectiv c = 0,8

si Cn = 5,67 W/m2·grd,

putem calcula:

= 3,38

cM = + 300 = 620 s°Ct (deoarece între rezistor si cutii exista peretele metalic al cuptorului ce este radiator termic).

c = 12

– Se pot determina coeficientii complecsi de schimb de caldura prin convectie si radiatie termica în cele doua faze ale procesului:

= 48,5 sW/m2·grdt – pentru începutul procesului

= 85 W/m2·grd – pentru sfârsitul procesului

Aplicând criteriul Biot, vom gasi:

= 0,024 r = h/2 (deoarece cutiile sunt
încalzite simultan pe ambele fete)

= 0,042

max (Bi’,Bi”) = 0,042 < 0,5 – este deci cazul pieselor subtiri.

2. Alegerea dimensiunilor camerei de lucru

Se adopta:

– distanta între cutii: 5 mm

– distanta fata de peretele fara rezistente 35 mm – distanta fata de rezistoare 45 mm. Vom avea pentru camera de lucru dimensiunile:

L = 300 mm; l = 250 mm; H = 200 mm;

Rezistoarele se dispun pe peretii de sus si jos a caror arie totala se considera a participa la schimbul de caldura, adica:

Ac = 2·L·l = 2·0,3·0,25 = 0,15 sm2t

Aria pieselor încalzite prin radiatie este numeric egala cu 60 % din aria lor totala

Ap = 3·s(L·l)·2 + 2·(L·h) + 2·(l·h)t·0,6 = =3·2·0,6·s0,22·0,11+0,22·0,05+0,11·0,05t= 0,146 m2

Valoarea reala a coeficientului redus de radiatie:

3,4 sW/m2·grdt

3. Calculul pierderilor termice în regim stationar

3.1. Calculul pierderilor prin peretii laterali.

– ariile de calcul pentru peretii laterali:

A1 = 0,3·0,2 = 0,06 m2 – arie interioara

A2 = 0,325·0,29 = 0,094 m2 – arie exterioara

= 0,077 m2

– temperaturile interioara si exterioara a peretilor se considera:

i = 270°C

e = 65°C

– izolatia este de vata minerala cu:

v = 0,052 + 0,12m·10-3 = 72,1·10-3 W/m·grd

= 167,5°C

– fluxul de pierderi prin conductie (peretii laterali sunt pereti plan-paraleli)

= 91,047 W (calculat pentru cei

grosimea peretelui cu izolatie gc = 0,025 m

3.2. Calculul pierderilor prin peretele din spatele cuptorului.

– ariile de calcul pentru peretele din spate:

A1 = 0,3·0,29 = 0,087 m2 – arie exterioara

A2 = 0,2·0,25 = 0,05 m2 – arie interioara

= 0,0685 m2

– grosimea peretelui cu izolatie gc = 0,01 m

– temperaturile interioara si exterioara se considera:

i = 270°C

e = 65°C

– izolatia este de vata minerala cu:

v = 72,1·10-3 W/m·grd

-fluxul de pierderi prin conductie:

= 101,246 W

3.3. Calculul pierderilor prin usa cuptorului

– usa este formata din pereti plani captusiti cu vata minerala având în centru o fereastra din sticla.

3.3.1. Calculul pierderilor prin fereastra de sticla

– Aef = 0,12·0,24 = 0,0288 m2 – suprafata ferestrei

– sticla = 0,037 + 0,256·m ·10-3 = 82,44·10-3 W/m·grd

– temperatura interioara: i = 270°C

– temperatura exterioara: e = 85°C

= 177,5°C

– grosimea sticlei gc = 0,005 m

– fluxul de pierderi prin conductie prin fereastra de sticla:

= 87,84 W

3.3.2. Calculul pierderilor prin peretele metalic al usii

– Aef = 0,0685·0,0288 = 0,0397 m2

– grosimea peretelui gc = 0,025 m

– v = 72,1·10-3 W/m·grd

– temperatura interioara: i = 270°C

– temperatura exterioara: e = 65°C

– fluxul de pierderi prin conductie:

= 23,47 W

3.4. Calculul pierderilor prin peretii de sus si de jos ai cuptorului

3.4.1.Peretele de sus

– ariile de calcul pentru peretele de sus:

A1 = 0,325·0,3 = 0,097 m2 – suprafata exterioara

A2 = 0,3·0,25 = 0,075 m2 – suprafata interioara

= 0,086 m2

– temperatura elementului rezistiv: i = 620°C

– temperatura exterioara: e = 85°C

– grosimea peretelui: gc = 0,06 m

-fluxul de pierderi prin conductie prin peretele de sus:

= 55,288 W

3.4.1.Peretele de jos

– = 0,086 m2 (identica peretele de sus

– i = 620°C

– e = 85°C

– grosimea peretelui: gc = 0,03 m

-fluxul de pierderi prin peretele de jos:

= 110,57 W

Fluxul de pierderi total: t = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6

t = 91,047 + 101,246 + 87,84 + 23,47 + 55,288 + 110,57 = 469,461 W

În regim stationar acest flux termic de pierderi este egal cu puterea electrica consumata din retea de elementul încalzitor.

Datorita faptului ca în timp rezistivitatea creste datorita îmbatrânirii materialului puterea de calcul a elementului încalzitor se majoreaza cu 20 ÷ 25 %.

Deci vom adopta puterea de calcul:

Pc = 600 W.

B. DIMENSIONAREA ELEMENTULUI ÎNCALZITOR

4. Dimensionarea rezistorului

– puterea pe fiecare element încalzitor (având doua elemente âncalzitoare cuplate în paralel)

= 300 W iar Uf = 220 V

– pentru rezistor de sârma în zig-zag

ef – coeficient de eficienta a încalzitorului

ef = e·t = 0,68·1,3 = 0,884

r = 0,8 – coeficient de emisivitate pentru crom-nichel

Rezistorul este din crom-nichel cu urmatoarele caracteristici:

– temperatura maxima de lucru: 1000°C

– rezistivitatea la 20°C: 20° = 1,1·10-6 ·m

– coeficient de variatie a rezistivitatii: = 0,1·10-3

– puterea specifica va fi:

TrM = rM + 273 = 620 + 273 900 °C

TrM = 900 °K Cn = 5,68

T1 = ”2 + 273 600 °K

T1 = "rM + 273 = 320 + 273 = 600°K

Rezulta:

Psa = 32100 W/m2

– diametrul elementului rezistiv va fi:

= 0,3·10-3 m Pf = 300 W

– lungimea firului rezistiv al unui rezistor

= 10 m

L = 10 m

– rezistorul va fi plasat între 2 placi de mica cu dimensiunile 0,3×0,22×0,002

Figura .

– lungimea unui traseu va fi: lt = 0,2 m

– numarul de trasee: = 50

– distanta între doua trasee: = 0,004 m

d = 4 mm

5.5. Reglajul automat al temperaturii

Transformatorul TRAFO este un transformator având puterea de aproximativ 205 W, tensiunea secundara de 0,5 V (efectiva). Prezenta tensiunii de la retea este semnalizata printr-un LED de culoare verde. În antiparalel cu LED – ul verde s-a montat o dioda tip IN4002 pentru a se evita strapungerea LED-ului la polarizarea inversa.

Rezistenta R4 s-a folosit pentru a limita curentul prin LED la aproximativ 5 mA.

R4 = = 2,68 k adopt R4 = 2,2 k , rezistenta cu pelicula de carbon

Puterea acestui rezistor:

= = 41 mW; adopt o rezistenta având puterea de 250 mW.

Tensiunea alternativa este redresata bialternanta cu puntea IPM1. Tensiunea este filtrata cu ajutorul condensatorului C1 = 680 F/16V.

Tensiunea alternativa obtinuta de aproximativ 13,5 V este folosita pentru alimentarea puntii ce contine traductorul de temperatura si elementul de prescriere pentru alimentarea elementului comparator si pentru alimentarea etajului amplificator de putere ce comanda pe poarta triacul din circuitul rezistentei cuptorului.

Traductorul este o termorezistenta de tip Pt 100 (cunoscuta fiind ca un traductor de foarte buna precizie pentru acest domeniu de masurare). Traductorul si elementul de prescriere (un potentiometru liniar bobinat de 750 se introduc în bratele unei puteri Wheatstone având pe celelalte doua brate rezistentele R1 si R2 + R3.

Tensiunea pe termorezistenta este comparata cu tensiunea pe potentiometru (elementul de prescriere) la nivelul unui circuit integrat comparator de tipul M 3022. Acesta este foarte asemanator cu circuitul integrat M 339. Principiul de comparare este urmatorul: daca V+ este mai mic decât V- tranzistorul final al comparatorului conduce; din iesirea E este la un potential scazut aproximativ 0,2 V fata de masa. Acest lucru se întâmpla atât timp cât temperatura în cuptor este sub valoarea prescrisa. În aceasta situatie prin circuitul bazei tranzistorului T va circula un curent ib care va asigura saturarea tranzistorului T. Va circula un curent prin tranzistor ip care este si curentul de poarta al triacului TB 10N6. Acest curent comanda deschiderea pe fiecare alternanta a triacului. Rezistentele cuptorului sunt alimentate la tensiunea Uf = 220 V. Temperatura în cuptor creste pâna când prin cresterea valorii rezistentei traductorului V+ = V-. Tranzistorul final al comparatorului se blocheaza, ib scade la 0, tranzistorul T se blocheaza, ip scade la 0 si triacul se blocheaza pentru ambele alternante rezistentele cuptorului nemaifiind parcurse de curent.

Datorita inertiei termice temperatura în cuptor creste cu înca câteva grade (în cazul experimentului aproximativ 2 grd.). Urmeaza apoi scaderea temperaturii în cuptor iar la trecerea prin temperatura prescrisa V+ < V- si procesul se reia. Datorita inertiei termice temperatura mai scade circa 2 grd. înainte de a se obtine o noua crestere. Evolutia în timp a temperaturii este urmatoarea:

Figura .

Pe perioada racirii temperatura evolueaza asimptotic spre temperatura 0 a mediului ambiant. Experimental triacul a fost înlocuit cu o grupare de tip tiritor si o dioda în antiparalel. Comanda se face numai pe o alternanta a tensiunii de alimentare. Pe timpul cât tiristorul este blocat pe cealalta alternanta dioda D conduce, deci racirea evolueaza mai lent pe o curba ce tinde asimptotic la temperatura de 110°C care este temperatura de regim stationar ce se obtine alimentând rezistentele cuptorului cu o tensiune redresata monoalternanta un timp foarte mare.

Proiectarea puntii de masura

Valoarea rezistentei traductorului la 180°c este:

R180 = R0(1 + ·180) = 100(1 + 3,915·10-3·180) = 170,47

Curentul maxim admis prin termorezistenta este 1…10 mA. Impunem rezistenta R1 + TR = 3,5 K ceea ce corespunde la un curent prin tradustor maxim egal cu 13,5 / 3,5 = 3,85 mA (se situeaza în domeniul cerut).

Termorezistenta la 0° are valoarea de 100 deci reglez R1 la 3.4 K.

Am impus ca valoarea reglata de 180 °C sa corespunda unei rezistente a potentiometrului de 600 .

La echilibrul puntii are loc egalitatea:

600·3400 = 170,47 (R2 + R3)

rezulta:

(R2 + R3) = 11,96 K

Curentul de comanda a triacului este de aproximativ 120 mA. Deci rezistenta R6 are valoarea:

UCEsat = 0,2 V

Up = 0,6 V

UpA1 = 0,7 V

Puterea disipata de rezistorul R6 este

R6I2p = 100·(120·10-3)2 = 1,44 W

Adopt o rezistenta de 100 W.

Calculul rezistentei

Adopt R5 = 4,3 K pentru asigurarea unei saturatii corespunzatoare a lui T. Puterea disipata pe R5 este 4,3 10-3·(3·10-3)2 = 0,0387W

Pentru semnalizarea regimului de încalzire s-a conectat în circuitul de comanda al triacului si un LED rosu.

Diodele D1 si D2 vor prelua tensiunile inverse evitând strapungerea jonctiunii de comanda a triacului sau a LED-ului rosu

Experimental s-a constatat ca aceasta schema realizeaza o foarte buna stabilizare a temperaturii.

CAPITOLUL 6

REZULTATE EXPERIMENTALE SI METODE ~NCERCATE DE ~MBUNATATIRE A PERFORMANTELOR ENERGETICE SI FUNCTIONALE ALE CUPTORULUI

S-a constatat ca acest cuptor in realizarea sa initiala prezenta o constanta de timp la racire foarte mica, deci la scoaterea cuptorului de sub tensiune temperatura in interior descrestea in timp destul de accentuat. Acest lucru se datora grosimii peretilor destul de mici, izolatiei cu un singur material (vata minerala), si constructiei metalice prin care peretii interiori se imbinau cu peretii exteriori ai cuptorului. Conditiile de sterilizare impuneau ca dupa terminarea sterilizarii (o ora la 180 grade Celsius) cutiile sa fie mentinute in interior cel putin o ora timp in care temperatura sa nu scada sub 70 grade Celsius.

Pentru a se obtine aceste conditii s-au dispus doua placi de samota in incinta cuptorului la partea inferioara. Acestea au rolul de acumulatori de energie termica pe care o cedeaza treptat in perioada de racire.

Totodata pentru a diminua pierderile prin conductie si mai ales prin radiatie in interiorul cuptorului pe mijlocul stratului termoizolant s-a dispus de jur imprejur o folie de aluminiu cu rol de reflector termic. Acelasi lucru s-a realizat si pentru peretele din spatele cuptorului si pentru capacul cuptorului (inclusiv geamul cuptorului a fost acoperit cu o folie de aluminiu). ~n felul acesta pierderile totale prin radiatie se reduc la jumatate.

~n aceste conditii de imbunatatiri constructive s-a ridicat un sir de rezultate experimentale cu cuptorul gol.

Rezultatele sunt trecute in tabloul urmator:

Temperatura a fost masurata simultan cu un termometru de precizie cu mercur plasat la 5 cm de partea superioara a incintei si cu ajutorul unui termocuplu cromel – alumel plasat in zona centrala a incintei (in locul destinat cutiilor de sterilizare).

Folosind valorile temperaturii date de termometru s-a procedat la determinarea analitica a temperaturii max (temperatura de regim stationar) si a constantei termice de timp T. Aceste valori puteau sa reiasa si dintr-o incercare experimentala mentin=nd cuptorul in functionare continua un timp foarte lung (practic 2-3 ore) fara actiunea termostatului.

Deoarece temperatura prescrisa a termostatului a fost reglata la 192 grade datele au fost ridicate in intervalul 0-65 minute.

Ecuatia incalzirii in regim tranzitoriu este:

0 = 25°C, calculez max si T prin incercari

1.Presupunem T = 30’

ptr. t = 30’, = 212°, rezulta max = 321°C

Verificam ptr. t = 65’

= 287°C

(putin cam mare)

2.Presupunem T = 29’

ptr. t = 30’, = 212°, rezulta max = 315,1°C

Verificam ptr. t = 65’

= 284,25°C

(tot prea mare)

3.Presupunem T = 28’

ptr. t = 30’, = 212°, rezulta max = 309,4°C

Verificam ptr. t = 65’

= 281,49°C

(bun!)

Verificam ptr. t = 45’

= 252,4°C

(acceptabil)

= 3.4°C

Verificam ptr. t = 15’

= 143°C

= 4°C

Deci pot considera ca buna aproximatia:

max = 309,4°C

și T = 28 minute (pt. o = 25°C)

S-a constat in cursul acestui experiment ca acest cuptor are o constanta termica de timp mica si temperatura max este in preajma temperaturii impuse prin tema de proiectare, dar s-a constatat ca temperatura in incinta este neuniform distribuita ajung=nd in zona cutiilor la valori inaccesibil de mari (cu peste 100grade Celsius peste temperatura prescrisa). Acest lucru antrenat de calirea instrumentarului metalic si carbonizarea materialului moale ( comprese, fese etc.).

Cuzele acestei supratemperaturi fata de cea prescrist sunt urmttoarele: prezenta traductorului ca si a termometrului destul de aproape de partea superioara a cuptorului, prezenta tecilor de protectie a acestor elemente si care indeplineau si rolul de radiator disip=nd o parte din ctldura din punctele de masura spre exterior.

Totodata bulbul cu mercur era ecranat de teaca din aluminiu (coeficient de emisivitate redus).

Datorita acestor fenomene temperatura masurata in zona punctelor de masura era mai mica dec=t cea reala.

S-a impus realizarea urmatoarelor imbunatatiri:

– realizarea unor perforatii mari a tecii termometrului in zona bulbului si vopsirea acestuia in negru (av=nd coeficient de emisivitate mare)

– realizarea unei ventilatii fortate care uniformizeaza temperatura in toata incinta cuptorului si care determina ca fluxul de aer fierbinte “sa scalde” tecile metalice ale traductorului si termometrului – temperatura acestora devenind foarte apropiata de cea din incinta

Pentru aceasta situatie s-au ridicat urmatoarele date experimentale

Din comparatia evolutiilor temperaturilor in functie de timp rezulta urmatoarele concluzii:

constanta termica de timp de 28 minute stabilita in cazul cuptorului cu convectie naturala se micsoreaza si mai mult in cazul conductiei fortate. Acest fapt atrage dupa sine c=teva consecinte foarte importante in ceea ce priveste parametrii electrici si functionali ai cuptorului. Astfel:

timpul de obtinere a regimului de temperatura stabilizata este diminuat in favoarea cuptorului cu convectie foratata

consumul energetic este diminuat, deoarece intreg ciclul de sterilizare dureaza cu aproximativ 20 minute ceea ce corespunde la o economie de energie de 0,2 kWh/ciclu

temperatura in incinta cuptorului are valori egale in toate punctele. Neuniformitatile ce existau anterior din cauza pierderilor termice mari la usa cuptorului si in zona termometrului sunt diminuate foarte mult prin dispunerea unui ventilator ceea ce asigura un debit mare in raport cu volumul cuptorului (12,5 dm3). Acest fapt asigura doua consecinte importante:

temperaturile sunt mai exact masurate de termorezistenta si termometru

sterilizarea corespunzatoare prin nedepasirea valorilor admise

in cazul cuptorului cu ventilatie fortata intre situatia de la gol si la capacitate maxima, diferentele nu sunt foarte mari. Astfel temperatura stabilizata de 165 grade Celsius (pentru care s-a facut experimentul) s-a obtinut in primul caz in 23 minute si in al doilea caz in 33 minute. Aceste valori sunt mai mici dec=t timpul pentru situatia – cuptor la gol convectie naturala.

BIBLIOGRAFIE

DAN COMSA – Instalatii electrotermice industriale, vol. 1;
Editura Tehnica, 1986

DAN IOACHIM – Electrotermie; Institutul Politehnic Iasi, 1980

MIRCEA OPRISOR – Utilizarea energiei electrice;
Institutul Politehnic Iasi, 1992

LUCIA PANTELIMON- Utilizarea energiei electrice in
DAN COMSA instalatii electrice, Editura Didactica si
Pedagogica, Bucuresti, 1979

EMIL JUGUREANU – Transmiterea caldurii, Institutul Politehnic
Iasi, 1975